CN115966192A - 一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法 - Google Patents

Abstract

一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，基于声子晶体局域共振产生带隙的基本原理，通过增加晶格外框架，改变晶格外框架容积与空腔共振吸声结构体积之比，调节晶格外框架的结构几何参数，产生双共振系统，进而获得在一定工作频率范围下出现双吸声峰值的吸声晶格，达到提升原空腔共振吸声结构吸声性能的目的，结果表明，本发明能使得200‑10000Hz频域范围内平均吸声率至少提高6倍以上。本发明不仅吸声性能提升效果明显，且无需额外设计新的吸声结构，方法简便。

Description

一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法

技术领域

本发明属于降噪吸声技术领域，具体涉及一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法。

背景技术

飞机噪声的不利影响体现在方方面面。就民用航空而言，飞机噪声可能导致机舱内部噪声，会引起乘客和机组人员不适，噪声过大时甚至会引起健康风险。对于军用飞机来说，飞机噪声会降低飞机的隐身能力，制约军事作战能力。此外，由飞机噪声引起的环境噪声污染已成为全球关注的问题。2018年，世卫组织《欧洲区域环境噪声指南》建议将飞机产生的噪音水平降低到小于45分贝。为了达到噪声标准，有必要降低现代飞机的噪声。

航空发动机噪声是飞机噪声的主要来源，包括风扇噪声、核心发动机噪声和喷气噪声。随着发动机涵道比的增加，喷流速度逐渐降低，喷流噪声所占的比重也越来越小，风扇噪声已经成为现代大涵道比涡扇发动机最主要的噪声源。发动机舱内铺设声衬，是目前最有效的噪声控制方法。声衬技术采用诸如穿孔板加上空腔的这类空腔共振吸声结构，增加航空发动机内部的声阻抗，将声能转化为流体的动能，再转化为热能而扩散至周围环境实现声音的减弱或消除。

诸如穿孔板等传统声衬结构，其不可调均匀结构和直通空气背腔的固有特性，决定了其较窄的吸声频带和羸弱的低频插入损失，同时穿孔板结构厚度与工作频率的波长相当，进一步阻碍了其在低频降噪领域的应用前景。另外，传统的微穿孔板蜂窝声衬结构对于不同方向的入射声波吸声效率和吸声频率等差别巨大，导致在声衬结构及覆盖面积的设计中必须综合考虑流体机械的设计，进一步增加了声衬结构的设计难度。另外，虽然近年来，基于声学超材料的新型空腔共振吸声体的研究层出不穷，例如，薄膜共振器以及亥姆霍兹共振器等，都可以获得良好的亚波长低频吸声效果，但吸声频带较窄，这一问题尚未得到有效解决。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，基于声子晶体局域共振产生带隙的基本原理，通过增加晶格外框架，改变晶格外框架容积与空腔共振吸声结构体积之比，调节晶格外框架的结构几何参数，产生双共振系统，进而获得在一定工作频率范围下出现双吸声峰值的吸声晶格，达到提升原空腔共振吸声结构吸声性能的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，包括以下步骤：

(1)、获取原空腔共振吸声结构1整体尺寸体积参数，在原空腔共振吸声结构1外增加晶格外框架2，晶格外框架2容积与原空腔共振吸声结构1体积之比n发生变化后，吸声系数也随之变化；

(2)、利用吸声系数的变化结果生成吸声系数云图，根据所需要工作频率下的吸声特性，选取吸声系数所对应的n值；

(3)、按照所选取的n值，调节晶格外框架2的结构何参数，晶格外框架2与原空腔共振吸声结构1共同形成吸声晶格，使得吸声性能得到提升。

所述吸声晶格材料为绝对声学刚性，包括6061铝的金属材料、PLA的聚合物、氧化铝陶瓷。

所述晶格外框架2的结构几何参数调节包括如下步骤：

(301)、确定晶格外框架2内宽度与原空腔共振吸声结构1整体宽度相等；

(302)、根据晶格外框架2容积与原空腔共振吸声结构1体积之比n，确定其余需要调节的晶格外框架2的结构几何参数，包括内长度、内高度、壁厚。

本发明具有如下有益的技术效果：

该方法基于声子晶体局域共振产生带隙的基本原理，首次利用增加晶格外框架，用于提升空腔共振吸声结构吸声性能，每次只需根据n值来调节晶格外框架2的结构参数，产生双共振系统，建立吸声晶格，实现了吸声性能的提升，同时，减少了新型吸声结构设计的难度。

附图说明

图1为提升颈部延伸空腔共振结构性能的吸声晶格结构模型图。

图2为吸声晶格结构模型的截面图。

图3为晶格外框架容积与空腔共振结构外轮廓体积之比n变化产生的吸声系数图。

图4为基于本发明方法改进的吸声体与原颈部延伸空腔共振结构吸声系数对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提供一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，该方法首次采用晶格框架用于空腔共振吸声结构性能设计。以颈部延伸空腔共振结构的性能提升设计为例，选取晶格外框架容积与空腔共振吸声结构体积之比，并通过调节晶格外框架的结构几何参数，获得在一定工作频率范围下出现双吸声峰值的吸声晶格，达到提升原空腔共振吸声结构吸声性能的目的。具体包含如下步骤：

步骤1：获取原空腔共振吸声结构1整体尺寸体积参数，详见表1。在原空腔共振吸声结构1外增加晶格外框架2，建立吸声晶格模型，结构模型如图1所示，以及截面图如图2所示。晶格外框架2容积与原空腔共振吸声结构1体积之比n发生变化后，吸声系数也随之变化；

步骤2：利用吸声系数的变化结果生成吸声系数云图，如图3所示。根据所需要工作频率下的吸声特性，选取吸声系数所对应的n值。在本示例中，为了提升空腔共振结构的低频(<2000Hz)、中频(2000-5000Hz)和高频(>5000Hz)的吸声性能，n值分别选为1.42、7.93、3.25；

步骤3：按照所选取的n值，根据式(1)调节晶格外框架的结构其余几何参数，得到提升空腔共振结构性能的吸声晶格。

式中，a₁、a₂、a₃分别为晶格外框架2的内长度、内高度和内宽度，V为原空腔共振吸声结构1的体积。按照式(1)和n值调节晶格外框架结构参数，不同n值对应的晶格外框架结构参数详见表2。

晶格外框架2内宽度a₃与原空腔共振吸声结构1整体宽度相等，如图1所示。

为了验证本发明提出的空腔共振吸声结构性能提升方法，对本发明的共振结构的性能提升设计进行了如下仿真：

声波正入射进入吸声晶格结构，通过声波的能量耗散得出结构的吸声系数。图4给出了颈部延伸空腔共振结构以及不同n值所对应的吸声晶格在160-10000Hz频域范围内的吸声系数变化曲线。通过图3可以看到，原颈部延伸空腔共振结构在160-10000Hz的全频域范围内平均吸声系数仅为0.04，经过本发明方法的设计后，n＝1.42、7.93、3.25这三种取值下设计得到的吸声结构，在全频域范围平均吸声系数分别为0.25、0.39、0.40，吸声系数至少提高了6倍以上。原颈部延伸空腔共振结构在低频、中频和高频的平均吸声系数分别为0.07、0.02、0.05。根据n＝1.42设计，低频域平均吸声系数提高至0.17，提高1.4倍；根据n＝7.93设计，中频域平均吸声系数提高至0.29，提高13.5倍；根据n＝3.25设计，高频域平均吸声系数提高至0.61，提高11.2倍。

表1颈部延伸空腔共振结构尺寸参数

表2不同n值对应的晶格外框架结构参数

由以上补充参数材料可证明可知，本发明提出的空腔共振吸声结构性能提升方法可以有效提升原先空腔共振吸声结构的吸声性能，获得双共振峰值吸声晶格，且根据低频、中频、高频不同频段的吸声需求，可以针对性地提升相应不同频段下的吸声系数，可变化性强。本发明提供的方法只需要在原共振型吸声结构外增加晶格外框架，不需要额外复杂的结构设计，方法简便有效。

Claims (3)

1.一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、获取原空腔共振吸声结构(1)整体尺寸体积参数，在原空腔共振吸声结构(1)外增加晶格外框架(2)，晶格外框架(2)容积与原空腔共振吸声结构(1)体积之比n发生变化后，吸声系数也随之变化；

(2)、利用吸声系数的变化结果生成吸声系数云图，根据所需要工作频率下的吸声特性，选取吸声系数所对应的n值；

(3)、按照所选取的n值，调节晶格外框架(2)的结构何参数，晶格外框架(2)与原空腔共振吸声结构(1)共同形成吸声晶格，使得吸声性能得到提升。

2.根据权利要求1所述的一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，其特征在于，所述吸声晶格材料为绝对声学刚性，包括6061铝的金属材料、PLA的聚合物、氧化铝陶瓷。

3.根据权利要求1所述的一种基于晶格反射的空腔共振吸声结构性能提升方法，其特征在于，所述晶格外框架(2)的结构几何参数调节包括如下步骤：

(301)、确定晶格外框架(2)内宽度与原空腔共振吸声结构(1)整体宽度相等；

(302)、根据晶格外框架(2)容积与原空腔共振吸声结构(1)

体积之比n，确定其余需要调节的晶格外框架(2)的结构几何参数，

包括内长度、内高度、壁厚。

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